风电机组螺栓的安全设计探讨.pdf

echnical CommunicateT 技术交流 风能产业 Wind Energy Industry 2011年04月40 前言 螺栓联结是风力发电机组装配中的重要装配 方式 几乎涉及到风力发电机组的所有部件 因此 螺栓的选用和强度校核是风力发电机组可靠性的重 要保证 随着我国风电事业的跨越式发展 伴随着风力 发电成本不断下降 风电机组的价格也越来越低 各大风电设备总装企业的价格战已经进行到了白热 化阶段 如何在降低成本的情况下 保证风电机组 的质量 成为各大风电企业面临的重要问题 螺栓 作为风电设备的重要联结件 由于其各特性的不确 定性 成为风力发电机组设计过程中降低成本的主 要难点之一 1 螺栓联结现状 现阶段 我国风电机组的螺栓失效问题已经在 联结塔筒法兰的高强度螺栓上有所体现 主要失效 形式为 安装过程中发生滑丝 扭断 屈服 甚至 拉断等现象 设备运行过程中发生螺栓断裂 威胁 机组运行 严重者甚至造成风力发电机组倒塌 塔筒高强度螺栓出现这些问题的原因 除了螺 栓本身的质量不合格外 设计过程中的理论与经验 不足也不容忽视 2 螺栓校核的主要方式 现阶段 人们主要通过利用有限元软件分析和 科学计算两种途径来对螺栓的可靠性进行设计和校 核 在运用有限元软件进行分析 1 的过程中 我 们可以通过直接加载法 等效力法 等效应变法和 等效温度法来实现预紧力的加载 但是这些加载方 法或者不能传递剪应力 或者不能模拟现实中螺栓 与被联结件的摩擦行为 且无法考虑螺母松动情况 导致的预紧力损失 导致在实际的有限元模拟过程 中 产生的螺栓应力偏大 因此 一般不作为风力 发电机组螺栓结构校核的手段 风电机组螺栓的安全设计探讨 文 郑大周 王 兵 莫尔兵 东方汽轮机有限公司 螺栓联结是风电机组中最主要的联结方式之一 机组的主要部件几乎全部采用螺栓联结 因此螺 栓的安全设计及校核是风力发电机组结构校核中非常关键的部分 由于影响螺栓联结的因素很多 而每颗螺栓的材料特性 联结环境及工作状态各不相同 因此准确计算风电机组每颗螺栓的安全 及寿命十分困难 本文从螺栓联结的基本原理出发 结合 VDI 2230 考虑螺栓公差因素 系统阐 述了风力发电机组螺栓分析的理论依据 给出了螺栓安全设计中关键参数的确定方法 对风电机 组螺栓安全校核具有重要的指导意义 风电机组 螺栓联结 VDI 2230 失效 摘 要 关键词 2011年04月 Wind Energy Industry 风能产业41 在进行科学计算时 人们或者采用材料力学 理论进行常规计算 或者采用高强度螺栓计算标准 VDI2230 来进行计算 3 螺栓联结的计算理论 3 1 常规计算方法 塔筒法兰螺栓采用紧联结 在工作载荷作用之 前 螺栓已受到预紧力 F 的作用 此时螺栓的受 力状态为复合应力状态 包含螺纹力矩 T1产生的 切应力 T和预紧力 F 产生的拉应力 根据第 四强度理论 此时产生的当量拉应力为 当螺栓受到工作载荷以后 螺栓受到的总拉 力 F0并不等于预紧力 F 和工作载荷 F 之和 由于 工作载荷会造成螺栓和被联结件变形 通过静力平 衡和变形协调条件可求得螺栓的总拉力为工作载荷 与残余预紧力 F 之和 F0 F F 1 假设c1和c2分别表示螺栓和被联结件的刚度 通过变形协调关系可得 2 其中 为载荷比例系数 由式 2 可知 螺 栓的总拉力也等于预紧力加上部分工作载荷 影响 载荷比例系数的因素包含螺栓与被联结件的材料 结构 尺寸及工作载荷的位置等 如果螺栓的载荷过大 就会造成联结出现裂 缝 为避免这种情况 必须保证残余预紧力 F 大 于零 确定完残余预紧力以后 即可通过 1 式来 求得螺栓的总拉力 考虑到极限情况 在受工作载 荷的情况下补拧螺栓 螺栓可按下式进行设计 3 综上所述 常规设计计算螺栓的步骤为 确 定螺栓工况 得出工作载荷 确定残余预紧力 计算螺栓总拉力 初选螺栓 确定螺栓的各种 参数 对初选螺栓利用 3 式进行校核 如 果合适就进行下一步 否则重新选择螺栓 进行 疲劳强度校核 校核表面压力 3 2 VDI 2230准则 与常规计算相比 VDI2230 考虑了预紧时螺 栓的松弛 高强度螺栓在拧紧后不久预紧力降低 2 3 这种现象叫做松弛 产生松弛的原因 有 螺纹面 支撑面等接触表面的粗糙度 形状误 差等引起的塑性变形 支撑面的沉陷和蠕变等 根 据德国 Junker 试验得到的试验结果 最后下沉量 在 2 m 以内时的支撑压力可作为材料的 限界支 承压力 此时对预紧力的变化影响很小 同时 VDI2230 还考虑了载荷引入系数等参数 力争通过 科学计算求得各项参数 更大限度地把经验值进行 理论化 VDI2230 的计算步骤 2 为 确定工作载荷 估计并定义螺栓尺寸 确定拧紧系数 确定 残余预紧力 确定比例系数和载荷引入系数 计算嵌入造成的预紧力损失 确定装配力及螺栓 尺寸 如果确定螺栓与初选螺栓有所变化 则重复 前面步骤 校核螺栓强度 校核螺栓疲劳强度 校核表面压力 各步的计算过程在 VDI2230 中 都有详细的说明 4 螺栓的主要参数选择和失效形式 4 1 载荷引入系数的确定 在 VDI2230 中 考虑载荷引入系数 n 后 2 式可演变为 4 载荷引入系数的产生与压力锥的分布有关 螺 栓在预紧力的作用下形成压力锥 法兰宽度 厚度 和螺距都会影响压力锥的形成 当螺栓受到重载时 法兰和螺栓在载荷作用下产生细微的变形 法兰平 面开始倾斜 作用点位于压力锥内 当法兰出现离 缝时 作用点便会移出压力锥 压力锥的变化 也 将导致力导入位置的变化 力导入位置越靠近接缝 echnical CommunicateT 技术交流 风能产业 Wind Energy Industry 2011年04月42 螺栓所承受的附加力越小 力导入位置在接缝处和 螺头处载荷引入系数分别为 0 和 1 具体计算公式 如下 5 其中 c21为上分板被卸载部分的刚度 c22为下 分板被卸载部分的刚度 由此可知 在风力发电机 组螺栓计算中 塔筒螺栓的载荷引入系数为 1 而 轮毂与主轴之间的螺栓载荷引入系数在0 51之间 需要计算求得 4 2 高强度螺栓残余预紧力的确定 依照国内的计算方法 残余预紧力的取值不 仅要大于零 还要保证一定的数值 具体的取值 与工作条件有关 当工作载荷没有变化时 F 0 2 0 6 F 当工作载荷有变化时 F 0 6 1 F 当螺栓用于密封压力容器时 F 1 5 1 8 F 而根据 VDI2230 螺栓的设计残余预紧力则需 要通过屈服强度条件获得 需克服横向载荷 FQ 满足条件 F FQ 4 3 高强度螺栓扭矩系数的确定 计算螺栓联结中扭紧螺栓所需要的力矩公式 为 6 其中 d2为螺纹中径 d 为螺纹大径 为螺 纹升角 v为当量摩擦角 dn为当量摩擦半径 为螺栓与被联结件之间的摩擦系数 由上式可 知 螺栓拧紧力矩分为三部分 第一部分由升角产 生 用于产生预紧力 螺距的影响主要体现在这一 部分 第二部分由螺纹副摩擦产生 影响因素有摩 擦系数和牙型角 第三部分由支撑面摩擦产生 影 响因素主要为摩擦系数和垫圈的几何尺寸 在不同 摩擦系数的情况下 三部分所占的比例各不相同 由德国 SCHATZ 公司提供的数据可知 在摩擦系数 为 0 08 0 15 之间时 第一部分消耗 10 20 力 矩 第二部分消耗 35 40 力矩 第三部分消耗 45 50 力矩 因此 对占大部分扭紧力矩的支 撑面力矩进行控制 是精确控制预紧力的关键 通常我们定义扭矩系数Kt来代替前面的部分 令 7 Kt可 以 是 经 验 值 也 可 以 是 计 算 值 美 国 铁 路 工 程 师 学 会 规 定 Kt 0 2 西 德 1974 年 规 定 螺 栓 涂 二 硫 化 钼 时 Kt 0 15 0 16 涂 少量油时 Kt 0 2 0 21 日本国铁桥梁所规定 Kt 0 15 0 19 如欲精确控制 Kt的值 必须对螺栓连接的螺 距 牙型角和摩擦系数进行精确控制 螺距和牙型 角为螺栓的基本参数 只会在一定的公差范围内变 化 而摩擦系数则受材料 表面状态 制造公差等 因素影响 一直是研究的难点 4 4 高强度螺栓摩擦系数的确定 摩擦系数选择过大时 在产生一定的预紧力情 况下 需要的预紧力矩将会很大 过大的预紧力矩 将会增加装配的难度和成本 摩擦系数选择过小 产生一定预紧力的情况 下 伴随所需预紧力矩的减小 相应的用于防松的 摩擦力矩也会变小 在一般情况下 风力发电机组螺栓的摩擦系数 应控制在一定的范围内 此范围为经验值 各厂家 根据各自的情况有所变化 笔者建议在这个范围内 摩擦系数应适当取大值 影响摩擦系数的因素很多 摩擦面的材料 表 面处理情况 润滑状态 零件公差等因素确定以后 摩擦系数也就基本确定 国内的很多学者对摩擦系 数的计算进行了深入细致的研究 推导了摩擦系数 的计算公式 3 4 通常工程的上的做法是 对不 同厂家 不同批次的螺栓进行实验测定 通过实验 的方法来确定摩擦系数 4 5 高强度螺栓预紧力的确定 对螺栓施加预紧力矩时 不同的扭紧方法 也 将影响预紧力的大小 为反映预紧力的精确范围可 引入分散系数 A 8 2011年04月 Wind Energy Industry 风能产业43 其中 为标准离差 根据 3 准则 数据 取 值 几 乎 全 部 集 中 在 3 3 中 达 到 99 74 但 2 2 范 围 内 亦 达 到 95 44 的概率 基本满足工程要求 不同的拧紧方法通过影响标准离差的值 进而 影响分散系数 不同拧紧方法所对应的分散系数见 表 1 由此可知螺栓的预紧力是一个随机变量 如何 表1 分散系数表 拧紧方法分散系数拧紧方法分散系数 经验控制法2 05超声波控制法1 16 力矩控制法1 66伸长量控制法1 3 螺母转角控制法1 35应变计控制法1 25 指示垫圈控制法1 22拉力控制法1 1 界定预紧力的范围和采用何种方法进行拧紧 是工 程人员需要通过经验总结得到的 在预紧力选择过程中 预紧力越大螺栓松动的 机率越小 但预紧力过大 将会造成螺栓过载 但 是预紧力过小 将会增大螺栓的应力幅 降低螺栓 的疲劳寿命 由于在风力发电机组螺栓联结中 螺 栓在传递轴向载荷的同时 还必须通过联结件之间 的摩擦来传递横向载荷 因此高强度螺栓必须保证 较大的装配预紧力 以保证螺栓在承受交变载荷时 仍保留足够的残余预紧力来传递横向载荷 与一般 螺栓要求扭紧预紧力不得超过其材料的屈服极限的 70 不同 高强度螺栓装配时 预紧力可以达到屈 服极限的 90 4 6 高强度螺栓的失效形式 高强度螺栓的失效形式有 滑丝 松动 疲劳 断裂 腐蚀等 有人提出螺栓跟转也是失效 但是 笔者却有不同的看法 因为螺栓跟转的原因是支撑 面的摩擦力不能承受预紧力矩 即式 6 中的第 三部分过小 由于螺纹副处和螺栓头的摩擦系数大 都不一致 所以无法准确判定螺纹副之间的摩擦力 即第二部分 也过小 同时也无法确定预紧力 即 第一部分 不达标 因此在螺栓跟转的情况下 也 可能达到了设计预紧力 同时可能也保证了第二部 分的摩擦力 保证了第二部分也即保证了螺栓不松 动 此时 我们可以认为螺栓连接是有效的 但是 由于跟转时存在很多不确定性 因此工程上一般尽 量避免跟转现象的发生 5 结论 本文对风力发电机组螺栓联结的基本原理进 行了介绍 对比了